DE60125194T2

DE60125194T2 - Wanderfeld Synchronmotor

Info

Publication number: DE60125194T2
Application number: DE60125194T
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing Ingolf Gröning
Original assignee: Rexroth Indramat GmbH
Current assignee: Rexroth Indramat GmbH
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2021-11-28
Also published as: US7095141B2; WO2003047074A1; ATE348438T1; DE60125194D1; CA2462418C; AU2002365464A1; JP2005510996A; EP1315274B1; CA2462418A1; ES2278678T3; JP2009240158A; US20040251764A1; EP1315274A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren von Drehmomentwelligkeit in bürstenlosen Wechselstrommotoren mit konzentrierten Wicklungen. Wanderfeld- oder Drehfeld-Synchronmotoren mit konzentrierten primärseitigen Wicklungen, d.h. Wicklungen, bei denen individuelle Spulen, die auf einzelne primärseitige gezähnte Module gewickelt sind, miteinander verbunden sind, um eine Phase der Motorwicklung zu bilden, weisen signifikante Leistungsvorzüge auf im Vergleich zu standardmäßigen Drehfeldwechselstrommotoren mit überlappenden oder so genannten verteilten oder sinusbewerteten Wicklungen.
Diese Vorzüge werden seit mehreren Jahren durchaus verstanden und beinhalten reduzierten Leistungsverlust, erhöhte Drehmomentdichte, vereinfachte und stärker automatisierte Herstellungsprozesse und niedrigere Einrichtkosten. Alle diese Vorteile ergeben sich aus der Tatsache, dass die konzentrierte Wicklung weniger physischen Raum belegt als eine verteilte Wicklung.
Derartige konzentrierte Wicklungen werden in einem im Patent mit der Nummer US 4,752,707 offenbarten Drehstrommotor verwendet. Hier wird eine Lösung mit 6 oder 12 relevanten Zähnen für einen Zweipol- oder Vierpolmotor offenbart. US 5,642,013 zeigt einen Synchronmotor, der einen Anker mit mehreren Zähnen umfasst, massiv mit einem Joch und durch Schlitze beabstandet, in denen Spulen untergebracht sind.
Eine verteilte Wicklung muss die Motorprimärseite durchqueren und muss derart gewickelt sein, dass die Spulen einer Wicklung jene einer zweiten Wicklung überlappen. Die Schwierigkeiten, solche Wicklungen physisch in den zur Verfügung stehenden Raum auf der Primärseite einzupassen, führen zu einem reduzierten Schlitzfüllfaktor, d.h. weniger Draht in jedem der primärseitigen Schlitze, und großen Längen von Draht, die zwischen den primärseitigen Schlitzen der drei Enden des Motors verlaufen.
Diese so genannten Spulenköpfe tragen nicht zur Erzeugung von Drehmoment bei, erhöhen aber den Wicklungswiderstand und somit die Wärmeverluste, die proportional zu dem Widerstand sind, und reduzieren somit die Motoreffizienz.
Motoren mit konzentrierten Wicklungen andererseits werden üblicherweise ausgebildet, indem Spulen auf individuell hergestellte primärseitige gezahnte Module aufgewickelt werden, die selbst aus mehreren Lamellierungen aufgebaut sind. Die gewickelten Module werden dann aneinander geschweißt oder auf andere Weise miteinander verbunden, um die Primärseite des Motors zu bilden.
Diese Art Motor ist in US 5,729,072 beschrieben, das zeigt, wie der physische Aufbau der Wicklung ermöglicht, dass der Schlitzfüllfaktor sich dem theoretischen Maximum nähert, während die Länge des Spulenkopfs auf ein absolutes Minimum reduziert wird. Diese Kombination aus wünschenswerten Charakteristiken erzeugt im allgemeinen einen Motor, der für ein gegebenes Drehmoment ein sehr kleines Volumen aufweist und sich sehr eignet für Anwendungen, wo minimal Raum zur Verfügung steht, wie etwa Roboter- oder Materialhandhabeanwendungen.
Der Motor vom Typ von konzentrierten Wicklungen weist jedoch eine Reihe unerwünschter Charakteristiken auf, sowohl elektromagnetisch als auch physikalisch, die seinen Einsatz bei Servoanwendungen einschränken können. Die konzentrierte Natur der primärseitigen Wicklungen führt zu einem magnetischen System, das im Allgemeinen starke Konzentrationen an Harmonischen in dem Luftspaltfluss erzeugt, die bei Kopplung mit entsprechenden Harmonischen in dem magnetisierenden Flusskreis unerwünschte Variationen in dem Motorabgabedrehmoment oder der Motorabgabekraft erzeugen. Diese Drehmomentwelligkeit muss in dem Servosteuersystem kompensiert werden, wenn die resultierende Motordrehzahl keine unakzeptable Höhe an Welligkeit aufweisen soll.
Um dies zu vermeiden müssen beim Design von Motoren mit konzentrierten Wicklungen spezielle Maßnahmen getroffen werden, um die in der Ausgabe des Motors vorliegenden Höhen an Drehmoment-/Kraftwelligkeit zu reduzieren, die ansonsten die absolute Leistung des Antriebssystems reduzieren würden. Zu diesen Maßnahmen zählen das Abschrägen der Magnete der Sekundärseite oder die Schrägmagnetisierung der Sekundärseite selbst oder das Zonen der Wicklung, was beinhaltet, die Wicklung über mehrere Schlitze innerhalb eines gezahnten Moduls zu verteilen. Selbst nachdem solche Maßnahmen getroffen sind, kann das Ausgabedrehmoment des Motors immer noch ein signifikantes Element an Welligkeit enthalten. Zudem stellt das Erfordernis, dass die gezahnten Segmente individuell gewickelt und danach miteinander verbunden werden, große Anforderungen an die Genauigkeit des Herstellungsprozesses, da mit großer Vorsicht vorgegangen werden muss, wenn die Segmente miteinander verbunden werden, damit die magnetischen Eigenschaften der Motorprimärseite selbst beibehalten werden.
Außerdem muss beim Design des Magnetkreises Vorsorge getroffen werden, die Reluktanz- und Rastmomentkomponenten zu reduzieren, die auf die Variation in der sekundärseitigen Position und der primärseitigen Induktanz zurückgehen, die schließlich auch als Nichtlinearitäten in dem Ausgabedrehmoment oder der Ausgabekraft des Motors erscheinen.
Diese Optimierungsprozesse, die erforderlich sind, um die inhärenten Nachteile des Designs zu überwinden, erhöhen alle im Allgemeinen die Herstellungskosten des Motors und reduzieren seine ultimative Effizienz.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines stark optimierten Designs eines Motors mit konzentrierten Wicklungen, das sich gleichermaßen entweder auf lineare oder sich drehende Maschinen anwenden lässt, das die zuvor erörterten Leistungsvorzüge existierender Motoren mit konzentrierten Wicklungen beibehält, wie etwa hohes Drehmoment und reduzierte Verluste, während es weiterhin die Herstellbarkeit des Motors verbessert, seine Produktionskosten reduziert, seine Drehmoment produzierende Effizienz erhöht und gleichzeitig seine Leistung verbessert durch Reduzieren von Nichtlinearitäten in dem Ausgabedrehmoment, was die Anforderungen an das Motorservosteuersystem reduziert.
Die vorliegende Erfindung erreicht diese Ziele dadurch, dass ein Drehfeld-Synchronmotor mit konzentrierten Wicklungen mit einer Reihe P Strom führender Motorphasen P bis P_N gemäß Anspruch 1 konstruiert wird. Die gezahnten Module werden danach so gewickelt, dass sie abwechselnde Polaritäten aufweisen, und die Anzahl der Module N ist gleich dem doppelten der Anzahl der Motorphasen, d.h. N = 2 × P.
Die Wicklungsmuster- und primärseitige Geometrie, die die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, führt zu einem elektromagnetischen Wanderfeld in dem Motorluftspalt, von dem bei Zerlegung in seine Komponenten mit Hilfe eines mathematischen Verfahrens wie etwa der Fourier-Transformation gezeigt werden kann, dass es aus einer Reihe von Raumharmonischen mit vorhersagbaren Frequenzen und Größen besteht, von denen eine als die Grundfrequenz zum Antreiben des Motors gewählt wird.
Die Drehmoment produzierenden Raumharmonischen sind Vielfache der Grundphasen-Stromfrequenz, die selbst ebenfalls in dem Luftspaltmagnetfeld vorliegt, doch ist die Motorsekundärseite so ausgelegt, dass sie ein magnetisierendes Feld erzeugt, das bei der Grundphasen-Stromfrequenz keine Komponente aufweist. Erreicht wird dies durch Steuern der räumlichen Verteilung der Magnete auf dem sekundärseitigen Magnetträger. Die physischen Positionen der Magnete zueinander und zu der Motorprimärseite sind ein kritischer Faktor beim Bestimmen der Kennlinien des Motors. Da Motordrehmoment auf die Wechselwirkung einer elektromagnetischen Feldkomponente mit einer entsprechenden magnetisierenden Feldkomponente zurückzuführen ist, gibt es kein Ausgabedrehmoment bei der Grundfrequenz.
Ein ähnliches Argument kann auf höher frequente Komponenten des elektromagnetischen Felds im Luftspalt angewendet werden, wodurch aufgrund der Wahl der primärseitigen Geometrie und des Wicklungsmusters die Komponenten entweder nicht existieren oder hinsichtlich Größe absichtlich reduziert worden sind, um die Drehmomentwelligkeit zu eliminieren oder zu reduzieren.
Der sich ergebende Motor weist ein Ausgabedrehmoment auf, das signifikant reduzierte Höhen an Drehmomentwelligkeit enthält, d.h. Variationen des Drehmoments mit Position oder Strom, im Vergleich zu anderen standardmäßigen Motoren mit konzentrierten Wicklungen.
Dies führt zu einem Synchronmotor, der leichter und genauer reguliert werden kann, wenn er als ein Aktuator in einem Servosteuersystem verwendet wird, beispielsweise unter Verwendung eines standardmäßigen PID-Geschwindigkeitssteuersystems; eine gegebene maximal zulässige Geschwindigkeitswelligkeit könnte mit einem reduzierten Controllerverstärkungsfaktor erzielt werden, wodurch der Verstärkungsspielraum und die Systemstabilität verbessert werden. Ein Hauptvorzug der Erfindung ist die signifikante Reduktion in der Variation beim Motorausgabedrehmoment mit Rotor- oder sekundärseitiger Position, erzielt unter anderem durch die Verwendung einer Motorarbeitsfrequenz, die eine Harmonische der Grundphasen-Stromfrequenz ist. Um dies zu erreichen wird ein Luftspaltfluss mit harmonischen Komponenten erzeugt, die im Vergleich zu der Grundfrequenzkomponente von signifikanter Amplitude sind. Die Erfindung beschreibt somit ein primärseitiges Motorwicklungsmuster, wodurch die Spulen an den gezahnten Modulen so gewickelt sind, dass sie eine Folge abwechselnder Polaritäten bilden, d.h., die Spulen sind abwechselnd im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn gewickelt.
Mit anderen Worten ist die Spule oder Wicklung auf jedem gezahnten Modul in der Folge derart gewickelt und mit einer der Phasen der Motorwechselstromversorgung verbunden, dass, wenn es möglich wäre, die Primärseite von der Sekundär- oder Luftspaltseite zu einem Zeitpunkt zu sehen, wenn alle Motorphasenströme positiv wären und in den Motor fließen würden (was in Realität eine unmögliche Situation ist, aber für das Verständnis hilfreich ist) und alle Spulen bestromt wären, die Polarität des Magnetfelds in dem durch die gezahnten Module erzeugten Luftspalt abwechseln würde ...-Nord-Süd-Nord-Süd-... dies ist für die Motorphasen P1 bis Pn durch das folgende elektrische Wicklungsmuster bezeichnet: P1 –P1, –P2 P2, P3 –P3...Pn –Pn, –P1 P1, P2 –P2, –P3 P3, ...–Pn Pn.
Um das gleiche Resultat zu erhalten, kann auch jedes elektromagnetisch gleichwertige Wicklungsmuster verwendet werden, d.h. jedes Wicklungsmuster, das aufgrund einer symmetrischen Invarianz mit dem Muster der vorliegenden Erfindung ein gleichwertiges elektromagnetisches Feld erzeugt.
Bei der vorliegenden Erfindung steht die Anzahl und somit die physische Größe der sekundärseitigen Magnete für einen gegebenen sekundärseitigen Durchmesser und eine gegebene primärseitige Geometrie zu der Frequenz der Drehmoment produzierenden Komponente des elektromagnetischen Felds in Beziehung. Die Verwendung einer Frequenzkomponente, die ein Vielfaches der Grundphasen-Stromfrequenz ist, diktiert, dass die Magnetgröße im Vergleich zu einem ähnlichen standardmäßigen Wechselstromfeldmotor, der die Grundfrequenz verwendet, proportional reduziert wird, da die Wellenlänge der höher frequenten Komponente proportional kürzer ist als die der Grundkomponente. Die individuellen Magnete auf der Sekundärseite sind somit im Vergleich zu der Länge eines primärseitigen Magnetpols klein. Dies gestattet, dass der Luftspaltfluss optimiert wird, indem der Abstand zwischen individuellen Magneten auf der Sekundärseite so eingestellt wird, dass die Variationen bei der Luftspaltinduktanz um den Motor herum auf ein Minimum reduziert werden. Somit können ohne Hinzufügen von Strukturen wie etwa Polschuhen, wie in US 5,729,072 gezeigt, die Reduktanz und das Rastmoment, erzeugt durch die Variationen bei der Induktanz mit dem Winkel in dem Magnetkreis des Motors, auf ein Minimum reduziert werden.
Die Erfindung beschreibt einen Synchronmotor mit primärseitigen Schlitzen mit praktisch parallelen Seiten ohne Polschuh, die somit davon profitieren, dass sie dem Luftspalt zugewandte breite Öffnungen aufweisen. Diese mechanische Struktur gestattet das leichte Einsetzen individueller Wicklungen vor Ort in die gezahnten Module auf der Motorprimärseite, wodurch die Konstruktion eines Motors mit einem hohen Schlitzfüllfaktor gestattet wird, während gleichzeitig das Erfordernis eines zeitraubenden Entwicklungsprozesses beseitigt wird.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Primärseite eines Motors mit konzentrierten Wicklungen aus einem Stapel von Lamellierungen geeigneter Geometrie, die alle als ein einzelnes Stück ausgebildet sind, durch Prozesse wie etwa Stanzen oder Laserschneiden hergestellt werden, die üblicherweise bei der Produktion von Standardwechselstrommotoren verwendet werden. Jede Lamellierung enthält alle die gezahnten Module, die erforderlich sind, um eine vollständige Primärseite zu konstruieren, so ist beispielsweise jede der einzelnen Lamellierungen für einen zylindrischen Drehmotor von kreisförmiger Form. Dies führt zu einer inhärent starren und stabilen Motorstruktur, die keine weiteren Bearbeitungsschritte wie etwa Schweißen oder Kleben erfordert, die bei der Herstellung von Motoren mit konzentrierten Wicklungen üblich sind, wie beispielsweise in US-5,729,072 beschrieben.
Wegen der Eliminierung des Polschuhs ist es physisch möglich, eine vorgewickelte Spule mit einer Geometrie, die der physischen Geometrie eines motorprimärseitigen Zahns entspricht, vor Ort direkt auf den primärseitigen Zahn in einer fertiggestellten Primärseite zu stecken. Somit gestattet in einem weiteren neuartigen Merkmal die Erfindung die Flexibilität des Herstellens einer Motorprimärseite mit hohem Schlitzfüllfaktor und konzentrierten Wicklungen aus einem Stapel einzelner Lamellierungen unter Verwendung von Prozessen, die für die Produktion von standardmäßigen Dreh- oder Linearwechselstrommotorprimärseiten verwendet werden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst einen Linearsynchronmotor mit mehreren primärseitigen Modulgruppen, wodurch, um eine gewisse Flexibilität bei der Bemessung der gezahnten Module für eine gegebene Motorprimärseitenlänge zu gestatten, das Wicklungsmuster an einem Ende des Motors unsymmetrisch oder unvollständig sein kann. Somit würde beispielsweise bei einem Linearsynchronmotor mit 4 primärseitigen Modulgruppen und Phasen P1 bis Pn das folgende Wicklungsmuster dreimal wiederholt werden, einmal für jede Modulgruppe P1 –P1, –P2 P2, P3 –P3...Pn –Pn, –P1 P1, P2 –P2, –P3 P3, ...–Pn Pn. und die letzte Sektion würde das unvollständige Muster aufweisen: P1 –P1, –P2 P2, P3 –P3, ... Pn –Pn
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Primärseite eines Motors mit konzentrierten Wicklungen so ausgelegt, dass das Ausgabedrehmoment maximiert wird, indem das Verhältnis der sekundärseitigen Pollänge zum primärseitigen Schlitzabstand 6:5 beträgt. Dies erzeugt einen elektromagnetischen Luftspaltfluss, der gestattet, dass die Sekundärseite optimiert wird, um die siebte harmonische Komponente in dem Ausgabedrehmoment zu eliminieren und die 11. und 13. harmonische Komponente zu minimieren. Dies führt zu einem Motor, der auf maximales Ausgabedrehmoment optimiert ist und gleichzeitig eine akzeptable Drehmomentwelligkeit aufrechterhält und eine Magnetgröße beibehält, die in dem Herstellungsprozess leicht gehandhabt werden kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Primärseite eines Motors mit konzentrierten Wicklungen so optimiert, dass das Verhältnis der sekundärseitigen Pollänge zum primärseitigen Schlitzabstand 6:7 beträgt. Dadurch erhält man einen elektromagnetischen Luftspaltfluss, der gestattet, dass die 7. Harmonische als die Grundfrequenz verwendet wird. Der Vorteil dieser Geometrie ist eine Drehmomentwelligkeit, die deshalb signifikant reduziert ist, weil die 5. harmonische Komponente des elektromagnetischen Flusses kein Gegenstück in dem magnetisierenden Feld aufweist, das selbst so ausgelegt ist, dass es mit der 7. Harmonischen arbeitet.
Die erforderliche Magnetgröße nimmt mit der Zunahme bei der Motorgrundfrequenz ab, weshalb es für eine gegebene Motorgröße schwierig wird, die Magnete zu handhaben, nachdem die Verhältnisse der sekundärseitigen Pollänge zum primärseitigen Schlitzabstand über ein gegebenes Niveau ansteigen. Es hat sich herausgestellt, dass Verhältnisse von 6:5 und 6:7 sich für die Produktion von kleinen und mittelgroßen Servomotoren am besten eignen, doch werden für größere Motoren Verhältnisse von 6:11, 6:13 oder höher praktisch und gestatten eine weitere Optimierung der Magnetkreisgeometrie.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Anzahl der Motorphasen gleich 3, was zu einem Synchronmotor mit konzentrierten Wicklungen führt, der mit allen standardmäßigen Wechselstrommotoren kompatibel ist und somit mit allen standardmäßigen Stromrichtern, Wechselrichtern und Netzversorgungstopologien. Dadurch kann der Motor unter Verwendung von leicht erhältlichen Drehstromleistungssteuersystemen betrieben werden.
Die primärseitige Wicklung ist somit derart geschaltet, dass bei einem standardmäßigen Drehstrommotor mit Motorphasen a, b und c benachbarte Spulen derart gewickelt sind, dass eine vollständige Modulgruppe der Primärseite, die eine Folge von 6 gezahnten Modulen umfasst, ein Wicklungsmuster aufweist: a –a, –b b, c –c, a a, b –b, –c c, wobei ein Minuszeichen die Seite der Spule angibt, bei der ein positiver Motorstrom, d.h. ein Strom, der von der Versorgung in die Motorphase fließt, aus der jeweiligen Spule herausfließen würde.
Das aus einem derartigen Wicklungsmuster erhaltene resultierende Raumvektor-Magnetfeld kann auch unter Verwendung von Wicklungsmustern erreicht werden, die geometrisch gleichwertig sind, die man durch Verwendung von Techniken wie etwa beispielsweise Verzonung erhalten kann.
Das magnetisierende Feld eines Synchronmotors wird im Allgemeinen von mehreren Permanentmagneten erzeugt, die auf der Sekundärseite angeordnet sind, wenngleich es bei größeren Maschinen vorteilhaft sein kann, das sekundärseitige Feld elektromagnetisch herzustellen, wobei sich die Magnete physisch auf der Sekundärseite radial oder diametral gegenüber von der Primärseite befinden. Auf der Sekundärseite sind eine Reihe mechanischer Variationen möglich, wie etwa die Verwendung von Oberflächenmagneten oder vergrabenen Magneten, die vorliegende Ausführungsform der Erfindung verwendet oberflächenmontierte Magneten, die eine feste Übereinstimmung zu den primärseitigen gezahnten Modulen aufweisen.
Ein eingehenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich durch Bezugnahme auf die folgenden Diagramme, wobei 1 und 2 zusammen eine bevorzugte Ausführungsform definieren.
1 zeigt einen schematische Längsquerschnitt der Primärseite und entsprechenden Permanentmagnet-Sekundärseite eines Drehstrommotors, der eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschreibt.
2 zeigt eine geschnittene Draufsicht der Primärseite eines den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung entsprechenden Drehstromlinearsynchronmotors.
3 zeigt ein Beispiel der "Verzonung".
4 zeigt einen primärseitigen Zahn mit Polschuh.
5 zeigt graphische Vergleiche von Drehmoment über elektrischen Winkel für einen standardmäßigen Motor mit konzentrierten Wicklungen und die vorliegende Erfindung.
1 zeigt ein Vorderansichtsschemadiagramm eines mehrphasigen Synchronmotors im Querschnitt, wobei der Stator oder die Primärseite (1) aus einer Folge von gezahnten Modulen (4) aufgebaut ist, die selber aus einem oder mehreren Zähnen (9) bestehen. Das Schemadiagramm von 1 kann man sich so vorstellen, dass es einen Querschnitt der Primärseite (1) einer zylindrischen Maschine zeigt, die zuerst entlang ihrer Länge "aufgeschlitzt" und flach ausgerollt worden ist. Diese Struktur kann dazu verwendet werden, die Funktionsweise einer linearen oder zylindrischen Maschine darzustellen.
Die Motorprimärseite (1) und -sekundärseite (16) bestehen aus einer Reihe dünner ferromagnetischer Stahlbleche, bekannt als Lamellierungen, die einen Querschnitt wie in 1 gezeigt aufweisen, diese Lamellierungen werden zusammen gestapelt, um die Motorprimärseite (1) und -sekundärseite (16) zu bilden. Der Motor kann eine weitere mechanische Struktur oder ein weiteres mechanisches Gehäuse aufweisen, mit der oder dem die gestapelten Lamellierungen gehalten werden.
Jede der Lamellierungen auf der Primärseite (1) zeigt ein sich entlang seiner Länge wiederholendes "T"-förmiges Muster, dessen Basiseinheit als ein gezahntes Modul oder einfach Modul (4) bezeichnet wird. Die Module selbst umfassen einen oder mehrere im Wesentlichen "T"-förmige Zähne (9), wobei der horizontale Schnitt des "T" jedem des einen oder der mehreren Zähne (9) in dem Modul (4) gemeinsam ist und der vertikale Schnitt einen einzelnen Zahn (9) darstellt. Dies führt dazu, dass die Module entweder eine einfache "T"-Form oder eine kammartige Struktur aufweisen.
Die Spalten zwischen den Zähnen (9) sind als Schlitze (13) bekannt, jeder Schlitz (13) enthält eine Hälfte einer konzentrierten Wicklung (2). Jede Wicklung besteht aus einer oder mehreren "Windungen" aus Draht, die um einen ferromagnetischen Zahn (9) herumgewickelt oder vorgeformt oder darum gesteckt sind, um effektiv einen Elektromagneten auszubilden.
Jede Spule (2) ist so ausgelegt, dass sie einen Strom (11) führt, der ein Magnetfeld erzeugt, dessen Gestalt und Stärke von der Geometrie der ferromagnetischen Strukturen in dem Motor bestimmt wird.
Es gibt zwei Quellen für magnetische Energie in dem Motor, Permanentmagnete (14) und Strom führende Spulen (2). Das von dem Permanentmagneten (14) erzeugte Feld wird als das magnetisierende Feld und das von den durch die Spulen (2) fließenden Phasenströme (5) erzeugte als das elektromagnetische Feld bezeichnet. Die Orientierung der Magnetfelder, d.h. N-S oder S-N, wird als die Polarität des Feldes bezeichnet.
Die Spule (2) an jedem gezahnten Modul (4) ist derart gewickelt, dass die Polarität des resultierenden elektromagnetischen Felds die gleiche ist, unabhängig davon, ob das Modul (4) eine einfache "T"-Gestalt und somit eine einfache konzentrierte Wicklung (1) oder eine kammartige Struktur und somit eine verzonte Wicklung (3) aufweist, wo innerhalb eines Moduls die Wicklung über eine Reihe von Zähnen verteilt ist. D.h., ein in eine dieser Wicklungen (2) fließender positiver Strom würde in beiden Fällen einen Magnetfluss in dem assoziierten ferromagnetischen Zahnmaterial mit der gleichen Polarität oder räumlichen Orientierung erzeugen. Zudem sind die Spulen (2) an den gezahnten Modulen (4) derart gewickelt, dass, wenn ein positiver Strom in alle Spulen fließt, d.h. ein Fluss von Strom in den Motor, aufeinander folgende oder benachbarte Module (4) immer entgegengesetzte Polaritäten aufweisen. Der magnetische Fluss, der direkt proportional zu der Größe und Phase des in den Wicklungen (2) fließenden Stroms ist, fließt in einem Magnetkreis, der prinzipiell die Primärseite (1), die Sekundärseite (16) und den Luftspalt zwischen ihnen (10) umfasst. Dieser Verlauf des Flusses von der Primärseite (1) zur Sekundärseite (16) und zurück erzeigt das Drehmoment produzierende Magnetfeld oder den Drehmoment produzierenden Magnetfluss in dem Luftspalt (10). Die Spule (2) jedes individuellen Moduls (4) ist an eine einzelne Phase (11) der Motorversorgung angeschlossen, wobei aufeinander folgende Module (4) an aufeinander folgende Phasen der Motorversorgung angeschlossen sind. Alle Phasen (5) führen im Wesentlichen sinusförmige Ströme gleicher Größen, aber mit variierenden elektrischen Winkeln, d.h., jeder Phasenstrom in der Folge ist von dem vorausgegangenen Phasenstrom (5) um einen festen Winkel gleich 2π / P Radian versetzt, wobei P die Anzahl der Motorphasen ist.
Die von benachbarten Wicklungen (2) erzeugten Magnetfelder interagieren und erzeugen einen resultierenden Luftspaltfluss, der von der Geometrie der ferromagnetischen Komponenten, der Geometrie der Wicklungen (2) und der Größe und Phase der Wicklungsströme (5) abhängt.
Dieser resultierende Luftspaltfluss ist eine Vektorgröße, die sowohl hinsichtlich Zeit als auch Raum variiert, deren Frequenzkomponenten durch Transformation aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich analysiert werden können. Erreicht werden kann dies durch Verwendung einer geeigneten mathematischen Transformation wie etwa der Fourier-Transformation. Es kann somit gezeigt werden, dass die zeitlich variierende Flusswellenform aus einer Summe individueller Wellenformen mit Frequenzen besteht, die ganzzahlige Vielfache des Versorgungsstroms (11) oder der Grundfrequenz sind, der oder die jeweils eine Größe aufweist, die direkt mit der Geometrie und dem Wicklungsmuster (15) der Primärseite (1) verknüpft ist und der oder die sich um den Luftspalt (10) oder entlang dessen ausbreitet oder bewegt.
Der Motor kann optimiert werden, um jede der Frequenzkomponenten des Luftspaltflusses als die Drehmoment produzierende Komponente zu verwenden, wobei diese Frequenz dann als die Motorgrundfrequenz bezeichnet wird.
Die Leistung des Motors ist auch eng verknüpft mit der Beziehung zwischen der Geometrie der Sekundärseite (16) und der Geometrie der Primärseite (1), ein Schlüsselmaß dessen das Verhältnis zwischen der Länge von einem primärseitigen Zahnmodul (7) oder dem davon subsumierten Umfangswinkel und der entsprechenden Länge eines sekundärseitigen Pols (6) oder dem von diesem subsumierten Umfangswinkel ist. Eine sekundärseitige Pollänge (τ_p) oder Umfangswinkel ist dabei definiert als die Gesamtlänge des motorsekundärseitigen aktiven Elements oder 2·π Radian, dividiert durch die Anzahl der Magnetpole auf der Sekundärseite (16). Ein sekundärseitiger (16) Magnetpol (6) umfasst effektiv einen Magneten und einen halben Spalt zwischen ihm und seinen benachbarten Magneten auf beiden Seiten. Eine primärseitige Modulgruppe ist definiert als die Anzahl der Module, die erforderlich ist, um ein vollständiges Muster (15) zu bilden, d.h. eine Drehstrommaschine mit Wicklungsmuster (15): a –a, –b b, c –c, –a a, b –b, –c c,würde 6 Module erfordern. Eine "P"-Phasen-Maschine würde somit pro primärseitiger Modulgruppe 2 × P Module (4) aufweisen. Die Sekundärseite (16) ist wie in 1 gezeigt aufgebaut, wobei mehrere Permanentmagnete (14) auf einem laminierten ferromagnetischen Träger fixiert sind, wobei ein schmaler Spalt definierter Abmessungen (20) zwischen den Magneten (14) verbleibt, und folgende Magnete weisen abwechselnde Polaritäten auf. Die Magnete (14) sind derart orientiert, dass sie so weit wie möglich parallel zu den gezahnten Modulen (4) auf der Primärseite (1) verlaufen.
Der Abstand zwischen der Sekundärseite (16) und Primärseite (1) ist mechanisch fixiert, so dass ein Luftspalt (10) mit im Idealfall konstanten Abmessungen entsteht, dessen absolute Größe von der Art und Leistung des gebauten Motors abhängt.
Auf der Primärseite (1) einer "P"-Phasen-Maschine erzeugt die abwechselnde Polarität der konzentrierten Wicklungen (2) das geometrische Muster P1 –P1, –P2 P2, P3 –P3...Pn –Pn, –P1 P1, P2 –P2, –P3 P3, ...–Pn Pn,was bei einer Drehstrommaschine mit Phasen a, b und c wie den in 2 gezeigten zu dem Wicklungsmuster (15) führt: a –a, –b b, c –c, –a a, b –b, –c c,wobei die individuellen Motorphasen (11) wie gezeigt an die Wicklungen (2) angeschlossen sind und die Wicklungen (2) miteinander an einem "Sternpunkt" (17) verbunden sind.
Die Phasenströme (5) sind von sinusförmiger Gestalt und weisen eine Grundfrequenzkomponente cos (ωt – α) auf, d.h., jede Phase (11) dreht sich mit einer Geschwindigkeit ω Radian pro Sekunde, und jede Phase (11) läuft der nächsten um einen elektrischen Winkel von 120° oder 2π / 3 Radian voraus, somit
wobei U, V und W übliche Beschreibungen für die Phasen (5) eines standardmäßigen Wechselstrommotors sind.
Die in den Wicklungen (2) fließenden Phasenströme (5) erzeugen in der ferromagnetischen Motorprimärseite (1) einen Magnetfluss, wobei die Motorgeometrie derart ist, dass der Flussweg im Wesentlichen radial oder normal und über den Luftspalt (10) zwischen der Primärseite (1) und der Sekundärseite (16) verläuft. Die Summe der Luftspaltflusskomponenten in Raum und Zeit ist selbst eine sinusförmige Größe, die sich um den Luftspalt (10) herum ausbreitet oder im Fall eines Linearmotors dort entlang. Diese Wanderwelle interagiert mit dem von den Permanentmagneten (14) produzierten magnetisierenden Fluss des Motors und erzeugt eine Drehmoment- oder Kraftausgabe.
Der Stromfluss in den Wicklungen (2), die so angeordnet sind, dass sie ein Wicklungsmuster (15) aufweisen, führt zu einem Luftspaltfluss, der eine komplexe Zeitbereichswellenform ist, die im Frequenzbereich durch eine Reihe sinusförmiger Komponenten bei der Grundfrequenz und ganzzahligen Vielfachen davon dargestellt werden kann.
Es kann gezeigt werden, dass die Größe der Grund- oder niedrigsten Frequenzkomponente des von dem Wicklungsmuster (15) erzeugten Luftspaltflusses im Vergleich zu der der 5. und 7. Harmonischen signifikant gedämpft werden kann. Dieses Merkmal der Erfindung gestattet, eine Harmonische der Grundfrequenz effektiv als die Grundfrequenz für das Ansteuern des Motors zu verwenden, und nicht die Grundfrequenz selbst, wie üblich ist. Weil zudem der von den Permanentmagneten (14) produzierte Luftspaltmagnetisierungsfluss so ausgelegt ist, dass er keine Komponente bei der Grundfrequenz "ω" des elektromagnetischen sich drehenden oder Wanderfelds aufweist, gibt es keine entsprechende Drehmoment- oder Kraftkomponente in der Motorabgabe. Die Drehmoment produzierenden Komponenten der von den primärseitigen Phasenströmen (5) erzeugten Luftspaltflussraumharmonischen sind jene Komponenten, die mit gleichwertigen Komponenten des von der Anordnung aus Permanentmagneten (14) erzeugten Magnetisierungsfelds interagieren. Beispielsweise sind bei einem Motor mit einer Geometrie wie in 2 gezeigt, wobei das Verhältnis der Pollänge (τ_p) zum Schlitzabstand (τ_s) 6:5 beträgt, die Hauptdrehmoment produzierenden Komponenten die 5., 7. und 13. Harmonische.
Es ist möglich, die Drehmoment produzierenden Komponenten des Luftspaltflusses "abzustimmen", indem die Geometrie der gezahnten Module (4) unter Verwendung von Techniken wie etwa Verzonung, 3, modifiziert wird, ohne dass das Grundwicklungsmuster (15) irgendwie modifiziert wird. Durch solche Mittel ist es möglich, die gewünschten Drehmoment produzierenden Komponenten des Luftspaltflusses zu betonen, während andere Komponenten gedämpft oder eliminiert werden, die ansonsten nur zur Welligkeit in dem abgegebenen Drehmoment (19) beitragen würden.
Eine weitere unerwünschte Drehmomentkomponente wird erzeugt durch die Änderungen in der Magnetkreisgeometrie, die sich ergeben, wenn sich die Sekundärseite (16) relativ zu der Primärseite (1) bewegt. Der Fluss, der von dem Permanentmagneten (14) erzeugt wird, wird gezwungen, in einem Magnetkreis mit variierenden Höhen der Reluktanz zu fließen. Die anziehenden und abstoßenden Reluktanzkräfte oder Drehmomente, die so produziert werden, summieren sich im Allgemeinen wegen der unvermeidlichen Symmetrie einer Motorgeometrie zusammen um die Maschine herum oder entlang dieser. Geeignete Platzierung der sekundärseitigen Magnete (14) zueinander und zu den primärseitigen Zähnen (9) kann diesen Effekt reduzieren, doch ist es bei standardmäßigen Designs erforderlich, eine Polschuhstruktur (12) aufzunehmen, d.h., den Zahn in Richtung des Endes des Luftspalts (10) zu verbreitern, um Änderungen bei der Reluktanz mit der Position des Magneten (14) auf ein Minimum zu reduzieren. Die Verwendung einer Harmonischen der Versorgungsstromgrundfrequenz als der Motorgrundfrequenz gestattet die Verwendung von Magneten (14), die im Vergleich zu einer primärseitigen Modulgruppe klein sind. Dadurch kann die Sekundärseite (16) durch die Verwendung geeigneter Verhältnisse Magnetabstand (20) und Pollänge (τ_p) zu Schlitzabstand (τ_s) zu optimieren, so dass selbst ohne die Verwendung von Polschuhen (12) die Summe des Reluktanzdrehmoments um die Maschine herum oder entlang dieser immer gegen Null geht.
Ein sofortiger Vorzug des Fehlens eines Polschuhs (12) ist die Möglichkeit, eine vorgewickelte Spule direkt auf einen Zahn (9) in einer fertig gestellten Primärseite (1) zu stecken. Dadurch entfällt die Notwendigkeit zum Herstellen einzelner gewickelter gezahnter Module (4), die dann in einem weiteren Herstellungsprozess wie etwa Schweißen oder Kleben miteinander verbunden werden müssen.
Wie angeführt sind optimale Designs für einen solchen Motor mathematisch hergeleitet und getestet worden, und es hat sich herausgestellt, dass sie Verhältnisse von 6:5, 6:7, 6:11, 6:13 und höher aufweisen. Je höher das Verhältnis, um so höher die Grundfrequenz und somit umso kleiner die relative Größe des erforderlichen Magneten, d.h., die Magnetgröße ist direkt proportional zu der Motorgröße. An einem gewissen Punkt wird eine sekundärseitige Polbreitenlänge (τ_p) so klein, dass die Magnete nicht länger leicht in dem Herstellungsprozess gehandhabt werden können. Verhältnisse von 6:11, 6:13 und höher führen zu Größen des Magneten (14), die sich auf die Konstruktion von physisch großen Motoren anwenden lassen würden, beispielsweise Permanentmagnet-Drehsynchronmotore mit einem Durchmesser von über 20 cm, wobei die Magnete (14) immer noch groß genug sein würden, um leicht gehandhabt zu werden.
Die Vorzüge der Erfindung lassen sich klar erkennen, wenn ein Vergleich zwischen dem ausgegebenen Drehmoment eines Motors mit einer standardmäßigen Konstruktion mit konzentrierten Wicklungen und dem eines Motors mit einer Konstruktion wie in der vorliegenden Erfindung verkörpert vorgenommen wird, dessen Ergebnisse in (5) zu sehen sind. Es ist zu sehen, dass das Niveau der Welligkeit des Drehmoments/der Kraft, d.h. die Abweichung um eine mittlere Drehmomenthöhe (19) herum, von einem gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung konstruierten Motor erzeugt, gemessen als ein Prozentsatz des mittleren Drehmoments/der mittleren Kraft des Motors, signifikant niedriger ist als die eines herkömmlichen Designs (18) mit konzentrierten Wicklungen. Der standardmäßige Motor weist ein etwas höheres maximales Drehmoment auf, doch lässt sich dies in Realität nicht verwenden, weil letztendlich die Höhe der Drehmomentwelligkeit die Motor- und Servosystemleistung diktiert.
Die signifikante Reduzierung bei der Drehmomentwelligkeit, die in einem Motordesign möglich ist, das die Konzepte der vorliegenden Erfindung integriert, führt zu einer Erhöhung des verwendbaren Motordrehmoments und somit einer Erhöhung der Drehmoment produzierenden Effizienz des Motors selbst, wie in Nm.A^–1 oder N.A^–1 gemessen.
Es ist somit klar, dass die Vorteile der vorliegenden Erfindung erhalten werden durch Herstellen eines Synchronmotors mit konzentrierten Wicklungen (2) auf der Primärseite (1), und zwar mit einer Geometrie und einem Wicklungsmuster (15), das zu einer magnetischen Raumwelle führt, deren Hauptkomponente eine Harmonische der Versorgungsstromfrequenz ist, die mit einer entsprechenden Komponente des magnetisierenden Felds auf der Sekundärseite (16) interagiert und ein im Wesentlichen welligkeitsfreies Drehmoment produziert.

Claims

Wanderfeld-Synchronelektromotor mit konzentrierten Wicklungen (2), wobei eine primärseitige Modulgruppe eine Reihe von gezahnten Modulen (4) aufweist, wovon jedes mit einer Spule (2) gewickelt ist, jedes gezahnte Modul (4) einen einzigen oder mehrere Zähne aufweisen kann, die Spule jedes darauf folgenden gezahnten Moduls (4) in der richtigen elektrischen Phasenfolge zu einer entsprechenden Phase (11) der Motorstromversorgung (5) verbunden ist, jedes gezahnte Modul (4) eine entgegengesetzt gewickelte Wicklung und einen entgegengesetzt angelegten Strom im Vergleich zu seinem benachbarten gezahnten Modul (4) aufweist und die Anzahl gezahnter Module (4) einer primärseitigen Modulgruppe genau gleich der doppelten Anzahl von Motorphasen (5) ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine sekundärseitige Anordnung mehrere Magnete aufweist, die ein Magnetisierungsfeld erzeugen, das mit einem Luftspaltfluss, der durch wenigstens eine Harmonische der an die Primärseite angelegten Stromphasen-Grundfrequenz erzeugt wird, in Wechselwirkung steht, wodurch die Harmonische als Grundfrequenz für die Ansteuerung des Motors verwendet wird.
Wanderfeld-Synchronelektromotor mit konzentrierten Wicklungen (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen der Abfolge von gezahnten Modulen (4) mit Motorphasenströmen (5) P1 bis Pn verbunden sind, so dass sie das folgende elektrische Muster. zeigen: P1 –P1, –P2 P2, P3 –P3, ..., Pn –Pn, –P1 P1, P2 –P2, –P3 P3, ... –Pn Pn.
Wanderfeld-Synchronelektromotor mit konzentrierten Wicklungen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der sekundärseitigen Pollänge (τ_p) des Motors und dem primärseitigen Schlitzabstand (τ_s) durch τ_p/τ_s = 6/5 gegeben ist.
Wanderfeld-Synchronelektromotor mit konzentrierten Wicklungen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der sekundärseitigen Pollänge (τ_p) des Motors und dem primärseitigen Schlitzabstand (τ_s) durch τ_p/τ_s = 6/7 gegeben ist.
Wanderfeld-Synchronelektromotor mit konzentrierten Wicklungen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der sekundärseitigen Pollänge (τ_p) des Motors und dem primärseitigen Schlitzabstand (τ_s) durch τ_p/τ_s = 6/11 gegeben ist.
Wanderfeld-Synchronelektromotor mit konzentrierten Wicklungen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der sekundärseitigen Pollänge (τ_p) des Motors und dem primärseitigen Schlitzabstand (τ_s) durch τ_p/τ_s = 6/13 gegeben ist.